Vernetzung von mobilen CPS und stationären Produktionsmaschinen durch echtzeitfähige Drahtloskommunikation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für mobile vernetzte Anwendungen ist eine drahtlose Kommunikation unverzichtbar. Handelt es sich bei der Anwendung um eine produktionstechnische Steuerungsaufgabe, muss die Datenübertragung zuverlässig und zeitdeterministisch erfolgen. In den intelligenten Fabriken der Zukunft werden mobile Cyber-Physischen Systeme (CPS), wie fahrerlose Transportsysteme oder autonome mobile Roboter, viele Aufgaben übernehmen, weshalb die Anzahl mobiler und drahtloser Systeme stark wachsen wird. Im vorliegenden Forschungsprojekt wurde ein echtzeitfähiges, drahtloses Kommunikationssystem für mobile CPS auf Basis von LTE entworfen und untersucht. Im Kommunikationssystem besitzen die Geräte eine synchronisierte lokale Uhr um eine zeitgesteuerte Kommunikation und Ausführung der Steuerungsaufgabe zu ermöglichen. Die Synchronisation erfolgt mittels GPS um unabhängig von der Mobilfunkverbindung zu sein. Um auf die mit der Signalqualität schwankende Bandbreite der Drahtlosverbindung zu reagieren, werden die zu übertragenden Informationen klassifiziert und verschiedenen Datenverkehrsklassen zugeordnet, welche zur Priorisierung genutzt werden. Die eigentliche Übertragung der Informationen erfolgt über die Mobilfunktechnologie LTE, welcher ein dedizierter, geschützter Frequenzbereich zugeteilt ist. Für die industrielle Nutzbarkeit des Kommunikationssystems ist neben der zeitdeterministischen Datenübertragung die Übertragungslatenz entscheidend. Im Forschungsprojekt konnte in der ersten Förderperiode gezeigt werden, dass die Übertragungslatenz von LTE grundsätzlich ausreicht, dass eine synchronisierte Ausführung der Steuerungsapplikation durch die GPS-basierte Zeitsynchronisierung möglich ist und ein Verfahren mit mehreren Datenverkehrsklassen bei schwankender Signalqualität eine Lösung bietet. In der zweiten Förderperiode wurden die Methoden und Ansätze mittels industrieller Anwendungsfälle optimiert und validiert, sowie an der Reduktion der Übertragungslatenz geforscht. Dazu wurden Anwendungsfälle mit fahrerlosen Transportsystemen definiert und untersucht. Maßnahmen zur Latenzreduzierung wurden evaluiert und Verbesserungen um ca. 60% bzw. 30% (je nach Kommunikationsrichtung) erreicht. Weiterhin wurde ein Verfahren für eine effiziente drahtlose Multiuserkommunikation entworfen. Zusammengefasst zeigen die Erkenntnisse aus den beiden Förderperioden ein großes Potential für die Nutzung von Mobilfunktechnologien in der industriellen Kommunikationstechnik. Unabhängig von der im Forschungsprojekt verwendeten Mobilfunktechnologie LTE lassen sich die untersuchten Prinzipien und Erkenntnisse hinsichtlich Zeitsynchronisation, Kommunikationsschemata, Streamingstufen und Modemaufbau auf die Nutzung mit anderen drahtlosen Kommunikationstechnologien übertragen. Durch die Untersuchungen wurde jedoch auch deutlich, dass für die industrielle Drahtloskommunikation eine Koordination zwischen industrieller Steuerung und dem Ressourcenmanagement des drahtlosen Kommunikationssystems für eine zeitdeterministische Übertragung sinnvoll wäre. Hierfür sind geeignete Schnittstellen, Datenmodelle sowie gemeinsame Konfigurations- und Managementschnittstellen zu entwickeln und zu untersuchen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Experimental Evaluation of the Deterministic Wireless Communication System Industrial LTE. In: 2022 8th International Conference on Mechatronics and Robotics Engineering (ICMRE), Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2022 — ISBN 9781665483773, S. 157–162
Neher, Philipp; Lechler, Armin; Verl, Alexander
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Identification and Classification of the Communication Data of Automated Guided Vehicles and Autonomous Mobile Robots. In: 2022 8th International Conference on Automation, Robotics and Applications (ICARA), Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2022 — ISBN 9781665483834, S. 68–75
Neher, Philipp; Lechler, Armin; Verl, Alexander
